橋涵水文計算基本方法課件

橋涵水文計算前言橋涵水文是公路、鐵路、市政工程中橋梁、路基設(shè)計、建設(shè)的決定性因素之一，也是衡量橋梁、路基是否符合相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最基本標(biāo)準(zhǔn)。更為重要是它事關(guān)洪災(zāi)區(qū)人民的生命和財產(chǎn)的安全，是災(zāi)區(qū)人民群眾逃生和搶險時有限的幾條通道之一。由此可見橋涵水文在橋梁、路基設(shè)計、建設(shè)中是極其重要的工作項目。橋涵水文與本行業(yè)其它專業(yè)有所不同，橋涵水文調(diào)查、分析、計算本身并無精度指標(biāo)要求，特別強調(diào)的是將通過各種途徑和方法得到的計算結(jié)果進行比較、論證后確定最終設(shè)計流量，使其更接近實際，更趨于合理。本次著重于橋涵水文分析、計算的基本方法和途徑。以上內(nèi)容是橋涵水文工作主要工作內(nèi)容，但重中之重是設(shè)計流量的推算。至于橋長、沖刷、調(diào)治構(gòu)造物、橋面標(biāo)高計算相比之下要簡單得多，因此，本次的重點放在設(shè)計流量的推算、外業(yè)調(diào)查、勘測的主要過程以及內(nèi)業(yè)工作的主要內(nèi)容和步驟。本次培訓(xùn)著重于以下內(nèi)容：一般情況水文分析計算橋孔長度和橋孔布設(shè)橋涵水文設(shè)計注意幾點問題及探討第一節(jié)水文勘測分析計算基本途徑

橋涵水文計算、分析基本途徑如下：

1、有水文觀測資料————水文統(tǒng)計法

2、無水文觀測資料——---形態(tài)斷面法

3、無水文觀測資料（無居民)—經(jīng)驗公式法有水文系列觀測資料時水文統(tǒng)計法（1）資料搜集和準(zhǔn)備了解橋梁所處的位置和所屬河流、水系，勾繪匯水面積。收集與本橋位相關(guān)的水文、氣象資料。1）水文站的多年連續(xù)或不連續(xù)流量系列。2）水位站的多年連續(xù)或不連續(xù)水位系列。3）水文站多年使用的基本水文參數(shù)，如：糙率、比降、流速。4）橋位上游是否有水壩，若有，其設(shè)計、較核頻率各是多少、與橋梁設(shè)計同頻率的放流情況如何。5）橋位附近是否有與已知水文站相關(guān)的其它水文站。該水文站的水文系列如何。6）調(diào)查、搜集歷史洪水情況（年份、流量、水位）。7）收集所處地區(qū)的有關(guān)風(fēng)、雨、流冰、氣溫等氣象資料。序號年代流量xK1K12K1′K1′2流量yK2K22K1′K2119504730.320.10（396）（0.39）（0.15）25161704.2017.64（3985）（3.86）（15.13）35210000.680.46（728）（0.71）（0.50）45330302.064.24（2007）（1.96）（3.84）5549160.630.40（675）（0.66）（0.44）65521601.472.16（1459）（1.42）（2.02）75616601.131.28（1144）（1.12）（1.25）8573930.270.07（346）（0.34）（0.12）95839152.677.12（2564）（2.50）（6.25）10592130.150.02（232）（0.23）（0.05）11603370.230.050.310.10295（0.29）（0.08）0.12126118451.261.581.692.861276（1.24）（1.54）2.7413628400.570.320.770.59622（0.61）（0.37）0.6114635600.380.140.510.26440（0.43）（0.18）0.29156417601.201.441.622.621000（0.98）（0.96）2.06166520731.411.991.903.611400（1.37）（1.88）3.3817663400.230.050.310.10275（0.27）（0.07）0.11186715201.041.081.391.93813（0.79）（0.62）1.43196819201.311.721.763.101610（1.57）（2.46）3.59206911300.770.591.041.08965（0.94）（0.88）1.2821708400.570.320.770.59618（0.60）（0.36）0.61227110900.740.551.001.00814（0.79）（0.62）1.0423724070.280.080.37.014350（0.34）（0.12）0.1624736300.430.190.580.34529（0.52）（0.27）0.39∑352222443.5914.0218.321100713.9917.6617.81水文系列回歸分析計算表回歸分析方程式：

Y-Y=gsy/sx(X-X)

兩系列近14年平均流量：Y＝786，X＝1092

經(jīng)計算得:

均方差:sy=416sx=629

相關(guān)系數(shù)g=0.96

相關(guān)系數(shù)機誤Eg＝±0.014判斷相關(guān)程度：

4Eg=4×0.014＝0.056g＝0.96﹥4Eg相關(guān)良好根據(jù)以上回歸分析方程式及相應(yīng)各參數(shù)得到以下方程式：

Y－786＝0.96×416／629×（X－1092）整理得:Y=0.63X+98.04(本題為直線相關(guān)）其中自變量X為參證站（流量x）系列流量;y為分析站（流量y）系列流量。上表括號內(nèi)（流量y）為插補后分析站流量y的系列流量,插補延長所得資料不宜用于第三站，可能引起較大誤差。

方程：Y=0.63x+98.04**

************

****400800120016002000240028003200360040004400

50010001500200025003000350040004500500055006000相關(guān)分析方程圖像參證站流量分析站流量Q=f(Q′)。。。。。。。。×。。。H=f(H′)×。。?！?。。。××。?！痢?。。。?！?。。。××。。。×。?！了弧⒘髁筷P(guān)系曲線分析站流量和水位參證站流量和水位Q′H′QHQ=f(H′)示例2,水位、流量關(guān)系曲線法示例：水位、流量關(guān)系曲線法就是利用兩系列的水位、流量對應(yīng)關(guān)系曲線,直接對分析站系列流量進行插補和延長，如下圖：3、歷史洪水情況的調(diào)查、考證和排序（1）歷史洪水的調(diào)查與流量計算（與形態(tài)斷面法相同）

1）調(diào)查河段的選擇原則最好靠近所選斷面附近選擇有居民、易于指認洪痕的河段所選河段順直，斷面規(guī)整，基線與橋位間無支流匯入

2）洪水發(fā)生年份的調(diào)查及方法聯(lián)系歷史以便確認記憶引導(dǎo)群眾以民間事件為突破點恢復(fù)當(dāng)年的記憶由民諺、刻字、碑文、報刊、歷史文獻、日記查得

3)指認并確定洪痕4、歷史洪水分析

1）洪水大、小的判斷。其方法主要如下：根據(jù)洪水淹沒深度來判斷根據(jù)建筑物破壞程度來判斷從詩文、敘事來判斷根據(jù)受災(zāi)范圍、河流決口、漫溢的上下游位置來判斷

6、場次洪水次序和所處期限

期限時間最大流量實測期

36年(1935--1974)29700m3/s

調(diào)查期

108年(1974—1867）36000m3/s（1867年）

31000m3/s（1921年）

29700m3/s（1974年）

考證期

574年(1974－1400）43000m3/s（1583年）其中：與1867年大小相當(dāng)?shù)暮樗€發(fā)生過5次，分別為：1416、1583、1693、1770、1852年，能夠確定大于1867年洪水的有3次。相當(dāng)于1921年的洪水除上述6次以外尚有：1472、1706、1724年3次。

第二節(jié)有水文系列設(shè)計流量計算方法例：某橋位附近有水文站，能搜集到20年連續(xù)的流量觀測資料，通過洪水文獻考證知，從1784年至1982年期間，曾有8年發(fā)生過較大洪水。其中：1880年、1948年和1955年能調(diào)查到歷史洪水位，可推算得洪水流量；1975年在實測期內(nèi)，有實測資料；其余4年未能獲得流量資料，只知1784年洪水大于1880年，另3年洪水均小于1948年，試求洪水流量Q1%。

關(guān)鍵詞：考證期、調(diào)查期、實測期、經(jīng)驗頻率、經(jīng)驗頻率曲線、理論頻率曲線重點參數(shù)和公式：Q、CV、CS、PⅢ

曲線和公式

QP%

=Q(1+ФPCV)解：經(jīng)驗頻率分析方法：第一種方法：可分為3個獨立系列：考證期（1784年～1982年）N2為199年，1784年洪水頻率為：P＝1/(N+1)=1/200=0.5%。調(diào)查期（1880年～1982年）N1為103年，包括1880年、1948年、1955年和1975年（在實測期內(nèi)）4個特大值。頻率分別為：P=M/(103+1),M取1、2、3、4實測期（1963年～1982年）n為20年，頻率為：P=m/(n+1),m取1、2、3、……20，其中1975年為特大洪水，則L=1。第二種方法：在考證期內(nèi)199年中各流量統(tǒng)一排位：實測系列外特大值經(jīng)驗頻率：P＝M/(N+1)（1）實測系列內(nèi)其它項經(jīng)驗頻率：Pm=P+(1-P)×(m-L)/(n-L+1)

（2）考證期：N＝199年，,M=1,1784年的流量,

調(diào)查期:n=103年，a1＝4，包括1880年、1948年、1955年和1975年的特大洪水。L1＝1，即1975年洪水。實測期：n=20年，包括特大值1975年流量，應(yīng)在調(diào)查期內(nèi)按特大值排位。水文站觀測資料只有20年，年限較短，代表性不強，采用第二種方法的計算結(jié)果。

(用公式（2）計算）

19551975194818801784a2=1a1=41963實測期n=20調(diào)查期N1=103考證期N2=199L=1按年份順序排列按流量大小排列經(jīng)驗頻率P（％）經(jīng)驗頻率

P（％）方法二經(jīng)驗頻率

P（％）采用值年份流量(m3/s)年份流量(m3/s)方法一1784>38001784>38000.500.500.518803800188038001.000.961.001.019483350195535501.921.962.019553350197534702.884.762.922.919632570194833503.853.883.919643025196430259.528.698.7196517501970280514.2913.4913.5196616001963257019.0518.3018.3196714901968227023.8123.1023.1196822701974196028.5727.9127.9196912801979184033.3332.7232.7197028501965175038.1037.5237.5經(jīng)驗頻率計算表3.88+（100-3.88）*（2-1）/(20-1+1)1+（100-1）*（2-1）/(103-1+1)197116801972171042.8642.3342.3197217101971168047.6247.1347.1197315801966160052.3851.9451.9197419601973158057.1456.7556.7197534701978155061.9061.5561.6197611001981151066.6766.3666.4197713101967149071.4371.1671.2197815501982146076.1975.9776.0197918401977131080.9580.8780.819808401969128085.7185.5885.6198115101976110090.4890.9390.419821460198084095.2495.1995.2點繪經(jīng)驗頻率曲線：將經(jīng)驗頻率點群點繪于海森幾率格紙上，目估通過點群分布中心，并兼顧到特大值作曲線，得到經(jīng)驗頻率曲線。適線中重點參數(shù)的求算：應(yīng)用3點適線法確定統(tǒng)計參數(shù)Q、CV和CS。在經(jīng)驗頻率曲線上讀P5%,P50%,P95%所對應(yīng)的流量得

Q5%=3210m3/s(Q1)、Q50%=1750m3/s(Q2)、Q95%=970m3/s(Q3)

公式：S＝(Q1+Q3-2Q2)/(Q1-Q3）

S＝（3120＋970－2×1750）/（3120－970）＝0.274

查表得：CS＝0.99，并知，當(dāng)CS＝0.99時，P1＝5%,Ф1=1.88P2=50%,Ф2=-0.16,P3=95%,Ф3=-1.32

公式：Q=(Q3×Ф1

－Q1×Ф3）/（Ф1

－Ф3）＝[970×1.88－3120×（－1.32）]/[1.88－（－.32）]

＝1857m3/s

公式：CV

＝（Q1－Q3）/(Q3×Ф1－Q1×Ф3）＝0.36

將各頻率P%和對應(yīng)的流量QP%點繪于海森幾率格紙上，檢測理論曲線和經(jīng)驗曲線的符合狀況，若符合很好，則該理論曲線即為所求，否則調(diào)整CV值后重復(fù)以上過程重新適線，直至兩線符合很好為止，再利用最終的理論曲線參數(shù)再推求設(shè)計流量。推求設(shè)計流量：利用PⅢ曲線公式并查各表得設(shè)計頻率Ф1％,計算可得設(shè)計流量Q1％,即：Q1％＝Q(1+Ф1％CV)=3863m3/s

經(jīng)驗頻率計算及經(jīng)驗頻率曲線、理論頻率曲線見下圖．

．經(jīng)驗頻率曲線理論頻率曲線．．．．1000

200030004000

5000600070008000

1510203040506070809095100(%)..............洪水（水面）比降的調(diào)查和測量：1)洪水比降是指沿河流某岸調(diào)查同一場次洪水所得到的多個洪水位點，再通過測量（方法同洪水位測量）得到各點標(biāo)高，將其投影至中泓軸線上，點繪在坐標(biāo)紙上（縱：洪水點標(biāo)高，橫：軸線上各點投影距離）再計算確定洪水比降i值。2）現(xiàn)有河流水面比降的測量方法：①沿現(xiàn)有河流水面按《水文勘測規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，在橋位上、下游事先布點，各點一人，每人一個木樁。先將木樁打入土中但不能打到與水面平。②看信號，所有人同時將木樁打至樁頂與水面平齊。③測量各樁頂標(biāo)高、點繪各點、推求水面比降，用以代替洪水比降。被調(diào)查人年齡職業(yè)居住地其它被調(diào)查人胡車60

放羊官巴離村

胡優(yōu)記述：我是當(dāng)?shù)厣?，今?0歲，一直生活在這里。我記得我21歲那年蛤蟆河發(fā)大水，水很大，我很害怕，水面在這兒也到我腰這麼深（就地量測：1.1米），我記得那年老王家狗剩取的媳婦，但大水兩天就退了。這場水還不是最大的，我48歲那年水更大，大水到我家房檐了，全村的人都跑后山上去了，我可以領(lǐng)你們到河邊的山坡再看，這里水深有1.3米。我一生就遇上這兩場大洪水，但我聽老一輩人說民國初還發(fā)生過一場洪水，聽它們講的情景要比這兩次洪水大得多，聽說那次洪水后這個村子房子全沒了，人也死了200多。證明人：它說后兩次的我也經(jīng)歷了，民國初還發(fā)生過的那場洪水我聽說也是這樣。結(jié)論：被調(diào)查人記憶清晰，且有其它事實佐證，旁證也證實事實準(zhǔn)確。調(diào)查人

張三

證明人

李四洪水調(diào)查表洪水編號：洪1調(diào)查時間：99.6.5河灘m1河灘m3邊灘m2邊灘m2主槽m1按水面比降從洪水點推算至基線斷面處的調(diào)查洪水位。。。。洪4洪3洪2洪1樁號河底標(biāo)高洪水點在中泓線間距各洪水位標(biāo)高水面比降計算圖某洪水位在基線處狀況m為糙率系數(shù)

設(shè)計流量、設(shè)計水位的推求：有水文系列設(shè)計流量的推求方法是用觀測資料直接推求系列平均流量Q和參數(shù)Cv，然后再利用PⅢ公式推求設(shè)計流量QP%。。無水文系列時利用形態(tài)斷面法推求設(shè)計流量。形態(tài)斷面法：1）將測得各洪水位推算至已測的形態(tài)斷面內(nèi)，推求對應(yīng)頻率（P%)下的流量QP%2）根據(jù)已知頻率查表得ΦP%值，并根據(jù)橋梁所在區(qū)域查閱有關(guān)資料得到Cv值，根據(jù)PⅢ公式QP%=Q(1+ΦP%

Cv)反求平均流量Q。3）查表得Q1%對應(yīng)Φ1%值，根據(jù)已求得的平均流量Q值再通過PⅢ公式Q1%=Q(1+Φ1%

Cv)即可得到設(shè)計流量Q1%。4）將通過以上計算所得的每個流量（含經(jīng)驗公式法結(jié)果）一并通過論證確定最終設(shè)計流量5）將設(shè)計流量Q1%放在形態(tài)斷面內(nèi)得到了形態(tài)斷面處水位H′1%

6）將形態(tài)斷面處水位H′1%

通過洪水水面比降推算至橋位處的設(shè)計水位H1%

形態(tài)斷面法推求設(shè)計流量工作流程：

重點工作步驟：1）調(diào)查得到形態(tài)斷面處某年洪水位H′，并確定該年洪水頻率P，測得洪水水面比降I2）將該洪水位H′通過洪水比降I推算至形態(tài)斷面處，得到形態(tài)斷面處洪水位H1H1＝H′±I×L，其余流程如下：已知形態(tài)斷面處H1（對應(yīng)）P

根據(jù)河床面選擇灘、槽糙率系數(shù)M根據(jù)形態(tài)斷面上計算該H1、糙率系數(shù)M利用水利學(xué)原理計算P對應(yīng)流量QP根據(jù)已求得的流量QP、區(qū)域CV用PⅢ公式反算平均流量Q根據(jù)平均流量Q、查表得Ф1％再根據(jù)PⅢ公式推求Q1%將Q1%重置于形態(tài)斷面上，并計算該流量對應(yīng)的水位H，將該H推算至橋位處得HQ第四節(jié)全國水文分區(qū)流量公式(無觀測資料）

第五節(jié)徑流公式(無觀測資料）小流域面積無觀測資料，設(shè)計流量可采用徑流公式計算。

第二章橋孔長度和橋孔布設(shè)橋孔長度的確定概念1）橋孔長度：沿著設(shè)計水位的水面線，兩橋臺前緣的水面長度2）橋孔凈長：橋孔長度扣除橋墩寬度后的長度橋孔長度的計算及適用條件1）河槽寬度公式：

Lj=Kq×Bc×(QP/QC)

適用條件：開口、順直微彎段及灘、槽可分的不穩(wěn)定河段重點參數(shù)：河槽寬度Bc2）單寬流量公式：Lj=QP/(qc×β)其中：qc＝QC/BC適用條件：寬灘河段重點參數(shù)：河槽平均單寬流量qc（m3/s.m)3）基本河寬公式Lj=

CP×B0適用條件：灘、槽難分的不穩(wěn)定河段重點參數(shù)：B0－－基本河槽寬度（公式計算）n3參考方法---供需面積法：（1）所需過水面積SX為SX=QP/(μ×VP)

其中：

VP

設(shè)計流速，依河槽情況而定，一般取河槽平均流速。

μ水流壓縮系數(shù)（2）橋下供給面積SG根據(jù)計算所需橋長在順樁斷面上兩橋臺所截取的累計面積差而得：SG＝S2－S1。（3）沖刷系數(shù)：

P=SX/SG

SX

－沖刷終止時橋下需要過水面積

SG－沖刷前橋下提供過水面積該沖刷系數(shù)一般在1.2～1.4之間（4）橋位的布設(shè)①橋下供給面積SG

應(yīng)該扣除錐坡、橋墩所占的過水面積。②橋位的具體布設(shè)應(yīng)根據(jù)河槽的灘、槽具體分布情況據(jù)實布設(shè)，最后得到最終橋位，同時獲得最終橋下下供給面積SG

。

過水面積累計曲線橋孔布設(shè)高程累計面積S2S1供給面積SG=S2－S1樁號設(shè)計水位供需面積法橋孔布設(shè)S=f(L)河槽L1L2橋長＝L2-L1橋面設(shè)計高程的確定無通航河流橋面設(shè)計高程的確定Hmin=Hs+∑△h+△hj+△h0

其中：Hs：為設(shè)計水位∑△h：為考慮壅水、浪高等因素

△hj：為橋下凈空安全值△h0：為橋梁上部結(jié)構(gòu)建筑高度1）在計算浪高時風(fēng)玫瑰圖的使用：

NW橋位浪程LNEWSNWSENESW風(fēng)玫瑰圖θθ≤22.5°河流風(fēng)向（最大）SE說明：A、應(yīng)使用橋位所在風(fēng)區(qū)的風(fēng)玫瑰圖。

B、應(yīng)使用橋位所在風(fēng)區(qū)的汛期風(fēng)玫瑰圖。

2）浪高、壅高、波浪侵襲高度示意圖

其中：△Z′計算得，△Z可取△Z′/2

h1h1浪高h2h2波浪侵襲高度靜水面橋前最大壅水高△Z′橋位橋下壅水高△Z水面曲線河岸或河堤實際水面說明：

△Z一般取0.5△Z′，但山區(qū)半山區(qū)可以取△Z′通航河流橋面設(shè)計高程的確定

Hmin=Htn+Hm+△h0式中：Htn設(shè)計最高通航水位

Hm通航凈空高度說明：橋面設(shè)計高程除滿足通航要求外，尚應(yīng)滿足泄洪要求。橋面設(shè)計高程取兩者大值。墩、臺沖刷計算橋下一般沖刷計算《勘規(guī)》法1）非粘性土河床橋下一般沖刷計算后的最大水深Hmax

（1）河槽部分①64－2簡化式（輸砂平衡原理）②64－1修正式(動力平衡流速、沖止流速原理）（2）河灘部分2）粘性土河床橋下一般沖刷計算Hmax

（1）河槽部分（2）河灘部分墩、臺局部沖刷計算(局部沖刷坑深度Hb)1）非粘性土河床橋墩局部沖刷計算——《勘規(guī)》法①65—2式②65—1修正式2）粘性土河床橋墩局部沖刷計算——《勘規(guī)》法注意：1）在進行橋下局部沖刷計算時，各計算式中的一般沖刷后墩前行近流速，應(yīng)根據(jù)計算一般沖刷所采用的公式的形成原理（輸砂平衡原理：動力平衡流速、沖止流速原理等），選用對應(yīng)的墩前行近流速計算公式。2）要分清河床土質(zhì)（粘性、非粘性土）、計算部位（河槽、河灘）。3）總沖刷深度應(yīng)包括河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷。橋臺最大沖刷深度（目前尚不成熟），可參照公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計》一書計算。－－《